在Android架構的基礎上實現(xiàn)POS機刷卡器讀芯片驅(qū)動的設計

引言

Google公司在2007年11月5日推出了開源的An-droid操作系統(tǒng)，它是基于Linux內(nèi)核的開源手機操作系統(tǒng)。目前，Android應用商店Android market已經(jīng)擁有超過70 萬個應用程序，有超過10 萬名軟件開發(fā)人員為Android開發(fā)應用程序，Android系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運用于便攜式移動設備。

移動POS機又稱無線POS,是一種RF-SIM卡終端閱讀器，通過CDMA,GPRS,TCP/IP等與數(shù)據(jù)服務器相連進行工作。移動POS機具有移動性強，平均交易時間段，易于攜帶等特性在各大行業(yè)都已經(jīng)廣泛使用。將Android系統(tǒng)移植到POS機上，將為POS機提供更加豐富的應用和功能擴展。

刷卡器作為POS機主要功能承擔者，其驅(qū)動程序的研究和優(yōu)化也直接影響到Android系統(tǒng)在POS機領域的發(fā)展。

1 Android 系統(tǒng)架構

Android是以Linux為內(nèi)核的開放式的手機操作系統(tǒng)，采用了整合的策略思想，包括底層Linux操作系統(tǒng)、中間層的中間件和上層的Java應用程序。Android系統(tǒng)是由應用程序?qū)?、應用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層、Linux內(nèi)核層組成的，系統(tǒng)架構如圖1所示。

在應用程序?qū)又邪薃ndroid系統(tǒng)的基礎應用程序，所有的應用程序都是用Java編寫的。

應用框架層是開發(fā)人員從事Android應用程序開發(fā)的基礎，該層簡化了組件重用，可以直接使用系統(tǒng)提供的組件快速的進行應用程序開發(fā)，主要包括ActivityManager,Content Provider,View System等。

在系統(tǒng)運行庫層中包括了兩個部分：程序庫和運行時庫，主要由Dalvik Java 虛擬機和基礎的Java 類庫組成 ,為應用程序提供服務和Java 編程語言核心庫。

Android的核心系統(tǒng)服務依賴于Linux 2.6內(nèi)核，如安全性、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡協(xié)議和驅(qū)動模型。Linux內(nèi)核也同時作為硬件和軟件堆棧之間的硬件抽象層。

2 刷卡器工作原理

MagTek公司的磁卡閱讀器芯片21006450是一款高性能、低功耗的三軌磁條解碼芯片。在對磁卡閱讀芯片復位時，如果STRBOE沒有置高，就需要將其置高，并將DATA拉低，然后再將STROBE置低。在復位之后仍需要將DATA 強制置低，在釋放DATA 之前需要將STROBE置高，然后再置低。在完成上述過程后，仍需要再完成一次STROBE的置高、置底，這樣才能完成復位序列。

當讀卡器芯片處在準備讀卡狀態(tài)時，一旦檢測到三個磁通翻轉，ASIC就會通過將DATA拉低來表明此時處于卡在線狀態(tài)。然后就開始將磁條卡上的數(shù)據(jù)讀取并存儲到緩存中。對應于這種卡在線狀態(tài)，控制器應當將STROBE置高。對應于STROBE的上升沿，ASIC會將DATA置高，并清除卡在線信號。控制器會將STROBE置低，然后等待DATA的下降沿，以此來表明處在緩存器就緒狀態(tài)。從內(nèi)存中讀取或提取數(shù)據(jù)，需要用脈沖信號將STROBE輸入置高再置低來驅(qū)使數(shù)據(jù)指針將數(shù)據(jù)指向DATA的管腳。在數(shù)據(jù)讀取期間，當STROBE的輸入為低時，DATA 上的一個低電平代表1,而高電平代表0.需要說明的是，DATA 進入緩存器就緒狀態(tài)后，在復位之前，ASIC不會對再一次刷卡做出反應。在片上緩存（內(nèi)存）中，為磁條卡的三個磁道中的每一個分配了704 b的空間，總共有2 112 b.對每條磁道而言，只有在卡上檢測到1的時候才開始存儲數(shù)據(jù)，在這個1之前的所有的0都不會存儲進緩存。當檢測到第一個1之后，每個磁道存儲704 b的數(shù)據(jù)，而一旦數(shù)據(jù)超過這個長度，將會丟失超出的數(shù)據(jù)。但這并不意味著芯片的存儲空間太小，確切來說，這么大的空間已經(jīng)能夠充分的滿足符號ISO編碼標準的磁條卡的需求。

在提取數(shù)據(jù)時，STROBE是根據(jù)磁道A,磁道B,然后磁道C的順序進行接收的。當數(shù)據(jù)指針到達3個磁道共2112位的最后位置時，它將從反方向再次循環(huán)數(shù)據(jù)。需要說明的是，數(shù)據(jù)的移出的首選順序是磁道A、磁道B然后磁道C.ASIC并不決定刷卡的方向，只是簡單的將接收的數(shù)據(jù)表示出來。然后，反方向刷卡數(shù)據(jù)的移出時是以磁道C、磁道B、磁道A的順序進行的，這就像將一盤磁帶或錄音帶翻帶。

在復位時，會清除ASIC上的所有數(shù)據(jù)，將所有的數(shù)據(jù)位都置為0（高電平）。

3 驅(qū)動設計

驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核與硬件之間的接口，直接對硬件設備進行操作，同時對上層應用程序提供接口。

Android的設備驅(qū)動主要完成以下功能：初始化和釋放設備；讀取硬件設備數(shù)據(jù)；將內(nèi)核數(shù)據(jù)寫入到硬件設備；讀取應用程序數(shù)據(jù)傳送給設備文件等。在Android系統(tǒng)中刷卡器驅(qū)動應包括：Linux內(nèi)核驅(qū)動程序、HAL（硬件抽象層）模塊、JNI方法、application framework硬件訪問服務。刷卡器閱讀芯片與開發(fā)板的連接框圖如圖1所示。

3.1 Linux內(nèi)核刷卡器閱讀芯片驅(qū)動程序

刷卡器的基本功能就是讀取磁卡中的數(shù)據(jù)進行解碼，并將得到的解碼數(shù)據(jù)傳遞給上層應用程序。An-droid為了保護一些硬件提供商的知識產(chǎn)權提出了HAL層的概念，避開了Linux的GPL束縛，基本的思路是把控制硬件的動作都放在Android HAL層，而Linux driver只是完成一些簡單的數(shù)據(jù)交換。這里的Linux內(nèi)核刷卡器驅(qū)動程序同樣也只是一個的字符設備驅(qū)動，設備以模塊的形式存在Linux內(nèi)核中，模塊的加載和卸載通過stat-ic int_init msr_init（void）和static void_exit msr_exit（void）函數(shù)實現(xiàn)，static int_msr_setup_dev（structmsr_Android_dev* dev）函數(shù)對設備進行初始化，函數(shù)static long msr_ioctl（struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg）實現(xiàn)驅(qū)動程序?qū)λ⒖ㄆ鞯腎/O控制。設備的打開、關閉及具體的代碼實現(xiàn)可以參考《Linux設備驅(qū)動程序》。對內(nèi)核配置編譯后就可以在Linux內(nèi)核中得到設備模塊msr.o,在上層中可以通過調(diào)用這個模塊來實現(xiàn)對刷卡器的控制。

3.2 HAL層訪問內(nèi)核驅(qū)動程序

硬件抽象層中訪問不同設備內(nèi)核驅(qū)動程序的模塊是以*.so文件形式存在的，這樣可以有效的保護硬件廠商的知識產(chǎn)權。在runtime（JNI部分），則向HAL取得特定模塊的operations,再callback 這些操作函數(shù)。在HAL 層包括許多模塊，而runtime 只需要說明類型，即module ID,就可以取得相應模塊的operations.在HAL層中需要具體實現(xiàn)刷卡器的讀卡操作。首先需要查找到開始標志0x0b,然后將磁道1中的數(shù)據(jù)放到buf1中，用同樣的方法可以將磁道2,3的數(shù)據(jù)存到buf2,buf3中，磁道2最多40個字符每個5位4位數(shù)據(jù)1位奇校驗，而磁道3最多107個字符每個5位4位數(shù)據(jù)1位奇校驗。

然后將buf中的數(shù)據(jù)補齊之后放在主寄存器中。HAL層中還需要使用static int check_msr_io（void）對I/O 的狀態(tài)進行檢測，并對設備進行初始化static int msr_de-vice_init（void）。具體的實現(xiàn)由于篇幅限制，不在進行詳細介紹。

3.3 編寫JNI方法訪問硬件

從編程語言看，Android系統(tǒng)是由基于Java語言的Java層與基于C/C++語言的C/C++層組成的，為了使這兩層相互配合、共同完成任務就必須使用Java本地接口（JNI,Java Native Interface）將這兩層有機的聯(lián)系起來。

JNI提供了一系列接口，允許Java類與使用C/C++編寫的應用程序、模塊、庫進行交互操作。JNI是通過函數(shù)方法映射表static const JNINativeMethod method_table,將Java本地方法和HAL層提供的C函數(shù)接口銜接起來。

3.4 在application framework增加硬件訪問服務

在Android Framework或應用程序開發(fā)中所需要的主要API都是以服務的形式存在的。對應用程序來說，硬件服務是運行在一個獨立的進程中的，若要調(diào)用這些服務就需要在硬件服務和應用程序之間添加通信接口。應用程序通過Interface IMsrService接口，調(diào)用硬件服務提供的Init（）等函數(shù)。在刷卡器的硬件服務中是將定義的通信接口與JNI提供的接口相關聯(lián)起來。同時需要將磁卡閱讀芯片服務添加到系統(tǒng)服務中Service-Manager.addService（“msr”,new MsrService（）），這樣應用程序就能通過Java接口調(diào)用硬件服務，實現(xiàn)對磁卡閱讀芯片的控制。圖2以讀取芯片數(shù)據(jù)為例，簡單介紹各層之間的調(diào)用。

4 結語

隨著系統(tǒng)逐漸成熟，應用程序日益豐富，Android系統(tǒng)與POS機的結合將為POS機的發(fā)展提供更為廣闊的空間。本文在分析了Android架構的基礎上，分析刷卡器的工作原理，研究將POS機刷卡器閱讀芯片驅(qū)動程序添加到Android系統(tǒng)中，為上層應用程序提供接口，實現(xiàn)刷卡器的功能。各層之間的接口調(diào)用銜接是整個驅(qū)動程序成功運行的基礎，在驅(qū)動設計中，每編寫一層都應進行測試，這樣能更好的定位驅(qū)動設計中存在的不足。